裝配式超低能耗建筑外圍護(hù)設(shè)計(jì)研究*

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 焦 楊 潘 悅 王凌云

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的21%，其中高能耗建筑占比高達(dá)70%以上，并呈逐年上升趨勢(shì)，建筑行業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排、降低能源消耗與浪費(fèi)成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

建筑節(jié)能方式多種多樣，其中控制生產(chǎn)施工端的材料消耗和建設(shè)耗能以及控制建筑運(yùn)行過(guò)程中的能源浪費(fèi)是2個(gè)重要途徑。近年來(lái)，我國(guó)大力推廣的裝配式建筑和超低能耗建筑便是從以上2個(gè)途徑進(jìn)行能耗控制和綠色節(jié)能的推廣。

“十三五”期間，我國(guó)各地相繼出臺(tái)建筑新政策，其中“穩(wěn)步發(fā)展裝配式建筑，大力推廣超低能耗建筑”成為主流政策導(dǎo)向和定位。將超低能耗技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合，形成產(chǎn)業(yè)化、綠色低碳、節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)量的建筑產(chǎn)品，將對(duì)提高建筑舒適度、提升建筑節(jié)能水平、促進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等具有重要意義。

1 裝配式超低能耗建筑外圍護(hù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

裝配式超低能耗建筑既符合裝配式建筑的設(shè)計(jì)原則，又集成了超低能耗建筑的技術(shù)特點(diǎn)。其中，超低能耗建筑的特征主要包括高效保溫、良好的門(mén)窗性能、無(wú)熱橋設(shè)計(jì)、氣密性和熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，其中前4項(xiàng)均與建筑外圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。因此，裝配式超低能耗建筑的實(shí)施應(yīng)從外圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究入手。

超低能耗技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合對(duì)建筑設(shè)計(jì)提出新的要求和挑戰(zhàn)，通過(guò)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)整合過(guò)程中問(wèn)題集中出現(xiàn)在以下方面。

1）建筑保溫系統(tǒng)選型、組合方式及安裝方式。

2）超低能耗建筑外圍護(hù)系統(tǒng)一體化、集成化設(shè)計(jì)。

3）裝配式外圍護(hù)墻體如何保證超低能耗建筑對(duì)氣密性的要求。

4）符合超低能耗要求的門(mén)窗與裝配式預(yù)制外墻構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)。

本文選用某住房項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)合工程設(shè)計(jì)和理論研究對(duì)其外圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 結(jié)合項(xiàng)目的裝配式超低能耗外圍護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目東西向及轉(zhuǎn)角單元樓棟采用裝配式和超低能耗相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。各樓棟采用裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制外墻、預(yù)制內(nèi)墻、預(yù)制疊合樓板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制空調(diào)板、預(yù)制樓梯等，同時(shí)需滿(mǎn)足外圍護(hù)保溫裝飾一體化設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目在方案規(guī)劃階段提出“小街區(qū)、密路網(wǎng)、空間圍合、立面多樣化組合”的設(shè)計(jì)原則，以地塊為基本單元打造不同的外立面風(fēng)格，豐富城市風(fēng)貌，同時(shí)設(shè)置東西向及轉(zhuǎn)角住宅單元形成圍合空間，考慮該部分建筑朝向因素，采用常規(guī)建筑形式會(huì)帶來(lái)較大的能源消耗（東西向住宅單元耗熱量指標(biāo)增大5%～10%），因此東西向及轉(zhuǎn)角住宅單元采用超低能耗技術(shù)，并與裝配式體系相結(jié)合，在降低能耗的同時(shí)，提升建筑品質(zhì)，提高室內(nèi)舒適度（見(jiàn)圖1）。

圖1 空間圍合的規(guī)劃形態(tài)與超低能耗住宅樓棟的選擇

2.2 外圍護(hù)技術(shù)原則與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 外圍護(hù)技術(shù)原則

針對(duì)本項(xiàng)目超低能耗單元，在設(shè)計(jì)之初擬定預(yù)制夾心保溫外墻板和預(yù)制墻板幕墻組合式外圍護(hù)系統(tǒng)2套方案，考慮規(guī)劃層面對(duì)東西向住宅沿街立面風(fēng)格多變的要求，項(xiàng)目組針對(duì)2種不同的外圍護(hù)系統(tǒng)構(gòu)造形式進(jìn)行設(shè)計(jì)論證和比選，外圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則包括：①與超低能耗技術(shù)體系匹配；②與多樣化立面風(fēng)格要求適應(yīng)；③兼顧裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化制造安裝與施工要求；④控制成本。

2.2.2 外圍護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中參考DB11/T 1665—2019《北京市超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，其中主要房間室內(nèi)熱濕環(huán)境參考參數(shù)為冬季溫度不低于20℃，相對(duì)濕度≥30%；夏季溫度不高于26℃，相對(duì)濕度≤30%。

外圍護(hù)系統(tǒng)非透光位置平均傳熱系數(shù)K需滿(mǎn)足0.15～0.20W/（m2·K），透光部分應(yīng)滿(mǎn)足平均傳熱系數(shù)K需滿(mǎn)足0.80～1.00W/（m2·K），同時(shí)太陽(yáng)得熱系數(shù)冬季≥0.45，夏季≤0.30。

3 裝配式超低能耗建筑外圍護(hù)技術(shù)研究

3.1 保溫材料選型

對(duì)于住宅建筑，保溫材料的選用一方面決定了室內(nèi)環(huán)境的舒適程度；另一方面保溫材料的厚度也直接關(guān)系到住宅套型面積指標(biāo)。超低能耗建筑在加厚保溫層滿(mǎn)足節(jié)能指標(biāo)的同時(shí)導(dǎo)致住宅得房率降低，這是業(yè)主單位和使用者擔(dān)心的問(wèn)題，人們往往忽略采暖費(fèi)的減免，對(duì)于同等面積下得房率的降低尤為敏感。

3.1.1 預(yù)制夾心保溫外墻板方案

方案1由于采用夾心外墻板（三明治板）構(gòu)造，保溫材料選用B1級(jí)即可，在滿(mǎn)足外墻平均傳熱系數(shù)0.21W/(m2·K)時(shí)對(duì)比各類(lèi)型保溫材料的厚度情況，如表1所示。

表1 預(yù)制夾心外墻板用B級(jí)外保溫材料超低能耗參數(shù)對(duì)比

針對(duì)夾心外墻板的構(gòu)造特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，優(yōu)選保溫材料厚度小、質(zhì)量輕、防火阻燃性能好、黏結(jié)能力強(qiáng)、憎水性能好、尺寸穩(wěn)定性好、抗風(fēng)性能好的材料，通過(guò)比選，采用各方面均有優(yōu)勢(shì)的硬泡聚氨酯材料。

3.1.2 預(yù)制板幕墻組合式外墻方案

方案2采用預(yù)制混凝土外墻板結(jié)合幕墻的外圍護(hù)系統(tǒng)，保溫系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)在于控制外保溫厚度及確保保溫材料安裝方式的合理性。通過(guò)對(duì)比適合幕墻系統(tǒng)的各類(lèi)主要A級(jí)外保溫材料產(chǎn)品，在滿(mǎn)足外墻平均傳熱系數(shù)0.21W/(m2·K)時(shí)各類(lèi)型保溫材料的厚度情況如表2所示。

表2 幕墻用A級(jí)外保溫材料超低能耗參數(shù)對(duì)比

對(duì)比可見(jiàn)，單一保溫材料普遍厚度較大、安裝困難、占用構(gòu)造空間和使用面積較多。項(xiàng)目組嘗試進(jìn)行保溫材料的復(fù)合設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算，采用幕墻體系常用的巖棉外保溫125mm與25mm真空絕熱板相結(jié)合可滿(mǎn)足節(jié)能計(jì)算要求，同時(shí)可保證與方案1的外保溫厚度一致。

3.2 外圍護(hù)系統(tǒng)一體化集成設(shè)計(jì)

3.2.1 預(yù)制夾心保溫外墻板方案

方案1超低能耗單元外圍護(hù)體系采用200mm厚預(yù)制混凝土剪力墻內(nèi)葉板+150mm厚硬泡聚氨酯+70mm厚預(yù)制混凝土外葉板（含20mm厚反打瓷板）組成的外圍護(hù)構(gòu)造系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 方案1超低能耗住宅樓外墻典型墻身構(gòu)造

3.2.2 預(yù)制板幕墻組合式外墻方案

方案2超低能耗單元外圍護(hù)體系由200mm厚預(yù)制混凝土剪力墻內(nèi)葉板+25mm厚VIP真空絕熱板+125mm厚憎水巖棉板+瓷板幕墻裝飾掛板的外圍護(hù)構(gòu)造層次組合而成，如圖3所示。

圖3 方案2超低能耗住宅樓外墻典型墻身構(gòu)造

3.2.3 氣密層設(shè)計(jì)

超低能耗建筑應(yīng)形成包圍整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的完整且連續(xù)的氣密層，本項(xiàng)目采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)葉板和構(gòu)件之間現(xiàn)澆剪力墻段的連接，形成完整連續(xù)的混凝土外圍護(hù)層，作為超低能耗建筑的有效氣密層（見(jiàn)圖4）。

圖4 超低能耗住宅樓預(yù)制外墻及氣密層平面布置

3.3 保溫板的復(fù)合與安裝

VIP真空絕熱板不能裁切和破壞，必須提前考慮所有異形板，排板與安裝難度較大，另外應(yīng)考慮施工過(guò)程中的保溫板材損耗。為便于施工安裝，VIP真空絕熱板在生產(chǎn)時(shí)需在每塊板四角切圓角后預(yù)留4個(gè)1/4的倒角以形成安裝時(shí)可貫通錨栓的孔洞，如圖5所示。

圖5 VIP真空絕熱板拼接方式

施工現(xiàn)場(chǎng)將2種材料用黏結(jié)砂漿粘貼牢固，形成VIP真空絕熱板與巖棉板的復(fù)合保溫板，如圖6所示。安裝步驟為：使用定位機(jī)器人在錨栓處進(jìn)行定位→在基層墻體錨栓處打眼、插入預(yù)留鋼筋條→粘貼VIP真空絕熱板→巖棉打眼、粘貼巖棉→去除鋼筋條→第1遍抹灰掛網(wǎng)→打入膨脹螺栓→第2遍抹灰掛網(wǎng)。

圖6 VIP真空絕熱板與巖棉保溫板復(fù)合構(gòu)造方式

在預(yù)制外墻制作前，需對(duì)VIP真空絕熱板布置進(jìn)行精細(xì)排板，排板時(shí)要充分考慮連接件、洞口、幕墻龍骨的位置。

3.3.1 VIP真空絕熱板排布原則

1）由于標(biāo)準(zhǔn)層層高為3000mm，因此控制常規(guī)VIP真空絕熱板高度為600mm，每層由5塊常規(guī)保溫板疊加組成。

2）VIP真空絕熱板尺寸分為3種尺寸，分別為：600mm×100mm，600mm×200mm，600mm×500mm。

3）部分區(qū)域因門(mén)窗影響，VIP真空絕熱板高度需進(jìn)行單獨(dú)調(diào)控。

4）部分區(qū)域受到整體面寬影響，使用600mm×100mm與600mm×200mmVIP真空絕熱板進(jìn)行調(diào)控。

5）部分區(qū)域受排風(fēng)口、補(bǔ)風(fēng)口、冷凝水口、陽(yáng)臺(tái)挑梁及欄桿影響，需進(jìn)行單獨(dú)處理。

3.3.2 巖棉板排布原則

1）常規(guī)巖棉板高度為600mm，由于每層層高為3000mm，因此每層由5塊常規(guī)巖棉板組成。

2）部分區(qū)域因受門(mén)窗影響，需使用不同高度的巖棉板進(jìn)行拼接處理。

3）部分區(qū)域受到面寬影響，需使用不同寬度的巖棉板進(jìn)行調(diào)控。

4）由于轉(zhuǎn)角處錯(cuò)縫處理，故內(nèi)部需使用窄巖棉板對(duì)整體面寬進(jìn)行調(diào)控。

5）外挑梁及排煙口等位置巖棉板按照常規(guī)布置，需現(xiàn)場(chǎng)剔槽。

3.4 超低能耗外窗安裝及處理

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的超低能耗建筑，為保證無(wú)熱橋和氣密性達(dá)標(biāo)，被動(dòng)窗均采用外掛式安裝，利用L形連接件將窗體和結(jié)構(gòu)墻體連接后，再采用保溫材料包裹外掛被動(dòng)窗。

而裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的外墻通常為“三明治”構(gòu)造，即內(nèi)外葉板夾著保溫層，導(dǎo)致在“三明治”構(gòu)件澆筑成型后無(wú)法在內(nèi)葉板外側(cè)固定用來(lái)連接被動(dòng)窗的連接件，更無(wú)法按常規(guī)的外掛式做法安裝被動(dòng)窗。因此需要對(duì)預(yù)制構(gòu)件和被動(dòng)窗進(jìn)行統(tǒng)一創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決裝配式結(jié)構(gòu)“三明治”構(gòu)造的被動(dòng)窗安裝難題。

經(jīng)過(guò)討論與嘗試，最終確定預(yù)制混凝土外墻板上被動(dòng)窗的安裝順序如圖7所示。

圖7 被動(dòng)窗安裝流程

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式超低能耗建筑既發(fā)揮了產(chǎn)業(yè)化建筑的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，又兼顧被動(dòng)式建筑低能耗的優(yōu)勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)建筑在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注外圍護(hù)系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)，通過(guò)合理的保溫材料選型、有效的外圍護(hù)系統(tǒng)一體化集成設(shè)計(jì)、兼顧施工安裝實(shí)際特點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可有效進(jìn)行技術(shù)體系整合。

裝配式超低能耗建筑近年來(lái)逐步由理論走向?qū)嶋H工程，隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的更迭發(fā)展，對(duì)產(chǎn)業(yè)化和綠色節(jié)能提出更高要求的高標(biāo)準(zhǔn)住宅也逐漸擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束和限值?，F(xiàn)階該類(lèi)建筑仍然存在生產(chǎn)加工靈活性不夠、施工安裝經(jīng)驗(yàn)及細(xì)部構(gòu)造節(jié)點(diǎn)不夠優(yōu)化、成本較高等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，在政策的大力支持下，不斷創(chuàng)新發(fā)展、加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)部交流、強(qiáng)調(diào)技術(shù)的延續(xù)性和實(shí)用性是現(xiàn)階段不斷努力的方向。